一種空間極低溫吸附制冷機的設計與實現

羅寶軍，王兆利，閆 濤，梁驚濤

(中國科學院理化技術研究所，北京100190)

0 引言

隨著空間科學計劃的開展，深空探測和載人空間站等領域中的相關研究都需要空間極低溫(＜1 K)［1－6］。例如:載人空間站空間應用相關學科任務中的低溫或極低溫下物質在相變點附近的性質研究［7］、空間天文任務中的針對各種科學目標的高靈敏度巡天觀測研究［8］，這些研究的順利開展都離不開空間極低溫技術的支持［9］，且溫度越低，相關探測器的背景噪聲越小、靈敏度越高。

傳統的超流氦制冷系統最低溫度僅能達到1.4 K左右［10］。目前具備實現低于1 K制冷溫度的末端制冷技術有吸附制冷、絕熱去磁制冷和稀釋制冷［1－3，10］，其中極低溫吸附制冷作為一種主動式制冷技術，采用氦3作為工質可以獲得最低220 mK左右的制冷溫度，具有可靠性高、壽命長、無干擾和重量輕等特點，是空間極低溫溫區非常重要的制冷技術之一［2，10］。

然而極低溫吸附制冷并不能從300 K直接獲得低于1 K，而是需要一個非常低的熱沉溫度，例如:世界唯一在軌極低溫吸附制冷機采用了一個超流氦杜瓦(低于1.7 K)作為前級熱沉系統［2］。由于超流氦制冷系統是利用攜帶的超流氦蒸發獲得制冷效應，屬于被動式制冷，其壽命由攜帶液體量的多少決定，具有壽命短、體積大和重量重等缺點［11］。隨著空間任務對系統壽命的要求越來越長，采用主動式制冷作為極低溫吸附制冷的熱沉系統已成為未來的發展趨勢。然而，機械制冷很難達到低于1.7 K的熱沉溫度，因此，研究基于1.7 K以上熱沉溫度的極低溫吸附制冷性能具有非常重要的價值。

文獻［12］介紹了基于脈沖管制冷機預冷的極低溫吸附制冷研究，利用脈沖管制冷機為極低溫吸附制冷提供一個2.6 K的熱沉溫度;文獻［13］介紹了基于4 K脈沖管制冷機預冷的極低溫吸附制冷研究;文獻［14］介紹了同樣基于4 K熱沉溫度的極低溫吸附制冷研究?？梢钥闯?，這些研究僅給出了特定熱沉溫度下極低溫吸附制冷的性能，但是沒有直接給出熱沉溫度對極低溫吸附制冷機性能的影響。

由于缺乏熱沉溫度對極低溫吸附制冷性能的定量認識，上述研究都很難科學全面地指導極低溫吸附系統的設計?；诖耍疚姆治隽藰O低溫吸附制冷系統的特性，計算了不同熱沉溫度下吸附制冷機的性能，并設計了一臺原理樣機，在4.2 K G－M制冷機熱沉系統基礎上開展了試驗研究。

1 極低溫吸附制冷系統的特性分析

極低溫吸附制冷技術是基于液體的飽和溫度與飽和蒸汽壓一一對應(圖1)，且吸附劑(活性炭)對吸附質(氦3或氦4)在不同溫度下吸附率X不同，通過周期性加熱和冷卻活性炭，使氦氣交替解吸和吸附，實現吸附床對氣體的壓縮和抽氣，從而具有以下優點:1)無機械運動部件，可靠性高、壽命長;2)無振動和電磁干擾;3)重量輕和體積小。從圖1還可知，相同飽和蒸汽壓下氦3的飽和溫度比氦4低或者相同飽和溫度下氦4的飽和蒸汽壓比氦3低一個量級，因此對于同一制冷裝置，氦3的制冷溫度比氦4低340 mK左右，最低制冷溫度可達到220 mK左右(氦3作為工質氣體)。

圖2是極低溫吸附制冷機結構示意圖，它由吸附床、泵管、蒸發器和熱開關構成。圖3為適用于極低溫吸附制冷機的氣隙式熱開關結構示意圖，由低溫泵、支撐筒、熱端和冷端構成，通過加熱或冷卻吸附泵實現熱端和冷端之間的熱導通或熱斷開。

圖1 氦3和氦4的飽和蒸汽壓Fig.1 Saturated vapor pressure of 3 He and 4He

對于極低溫吸附制冷機，其工作時依次執行兩個過程:冷凝過程和制冷過程。冷凝過程中，吸附床與熱沉之間的熱開關斷開、蒸發器與熱沉之間的熱開關閉合，吸附床被加熱，活性炭的吸附率下降，氦氣從活性炭表面解吸出來，流向蒸發器并在蒸發器內冷凝為液體;制冷過程中，吸附床與熱沉之間的熱開關閉合、蒸發器與熱沉之間的熱開關斷開，吸附床被冷卻，活性炭的吸附率增大，氦氣被吸附，蒸發器內壓力降低、飽和溫度降低，制冷機產生制冷效應。

當蒸發器內的液體完全蒸發后需重新開始冷凝過程，因此該類制冷機屬于間歇制冷(間歇制冷是極低溫下制冷機工作的普遍形式)。

圖2 極低溫吸附制冷結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of sub－Kelvin sorption cooler

由于氦4和氦3的臨界溫度分別是5.2 K和3.3 K，因此，為了實現氦4和氦3的冷凝，熱沉溫度必須分別不高于5.2 K和3.3 K，這就要求必須采用其他制冷技術實現復疊，復疊制冷是空間小于1 K 制冷技術的普遍技術方案［2－3，15－16］(見圖 4)，而極低溫吸附制冷的熱沉制冷技術可以采用超流氦杜瓦或者4 K溫區機械制冷技術。

2 熱沉溫度對制冷機性能的影響

極低溫吸附制冷技術作為一種液體蒸發制冷技術，其制冷溫度取決于液體的飽和蒸汽壓，具體而言，取決于蒸發器內的壓力，該壓力下氦氣的飽和溫度為制冷機的制冷溫度，其制冷量為

圖3 氣隙式熱開關結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas－gap heat switch

圖4 獲取極低溫制冷溫度的技術路線Fig.4 Refrigeration roadmap of space ＜1K temperature

式中:m為制冷溫度下蒸發器內液體量，L為制冷溫度下氦工質的蒸發潛熱。因此，對于具體的制冷溫度，制冷量Q僅由液體量m決定。

同時，極低溫吸附制冷技術是一種減壓降溫制冷技術，其制冷效應是利用一部分液體的蒸發帶走剩余液體質量的焓實現溫降，因此最終能用于制冷的液體量m為:

式中:m0為冷凝過程中液體量，η為得液率，Ths為熱沉溫度，Tcool為制冷溫度，Cp為液體的比熱容，L為蒸發潛熱。Cp和L可以按下式計算:

由式(2)可知，η取決于熱沉溫度，熱沉溫度越高，制冷過程得液率越小;反之，熱沉溫度越小，制冷過程得液率越大。

對于給定充氣量的制冷機，通過推導獲得冷凝過程中的液體量m僅與冷凝溫度即熱沉溫度相關:

式中:k為死容積系數，ρ為氣體密度，V為制冷機容積。

根據式(2)和式(11)，可獲得熱沉溫度對氦4極低溫吸附制冷機性能的影響(見圖5)，縱坐標Qc(Tsink)/Qc(2.5K)為各溫度下制冷機的冷量與2.5K熱沉溫度時冷量的比值，其中Tsink為熱沉溫度。由圖可知，熱沉溫度越低，制冷冷量越高。

3 樣機研制與試驗結果

3. 1 系統設計

對于極低溫吸附制冷系統，還需要綜合考慮極低溫制冷技術特性和前級制冷技術特性。因此基于圖5，針對我國未來空間0.05 K制冷溫度需求提出了適合我國的基于極低溫吸附制冷的空間0.05 K制冷路線(見圖6)，通過采用脈沖管制冷或節流制冷等機械制冷技術為極低溫吸附制冷提供4.5 K左右的前級熱沉溫度，然后通過一級絕熱去磁制冷實現空間0.05 K的制冷溫度，從而實現全溫區全主動式制冷技術復疊，滿足空間任務對制冷溫度、壽命和重量等方面的要求。

圖5 熱沉溫度對制冷冷量影響分析Fig.5 Effect analysis of heat sink temperature on the performance of cooling

圖6 提出的空間0.05K制冷路線Fig.6 Proposed refrigeration roadmap of space 0.05K temperature

3. 2 樣機研制

圖7 為研制的極低溫吸附制冷機，吸附劑為活性炭，由于氦3價格昂貴，充氣工質氣體為氦4。作為原理樣機，為方便試驗研究各種特性，制冷機設計成可拆卸結構。為滿足極低溫下的密封要求充氣壓力受到了限制，同時由于試驗過程中曾發生過充氣壓力過高事故，為安全起見，選擇較低的充氣壓力(5.5 MPa)。根據式(2)和式(3)，較低的充氣壓力意味制冷機冷量較低，經理論計算，5.5 MPa充氣量可以提供1 J@0.8 K的制冷能力，完全能滿足相關特性的試驗要求。圖8為研制的氣隙式熱開關，冷端和熱端均為無氧銅，冷端與熱端間隙為0.25 mm，支撐筒為0.1 mm厚的不銹鋼管。

蒸發器溫度計采用Cryocon公司的R500，溫度測量范圍為 0.05～40 K，吸附床溫度計采用Lakeshore公司的硅二極管溫度計DT－670，溫度測量范圍為 1.4～500 K，溫度采集儀為 Lakeshore controller 340。

圖7 極低溫吸附制冷機樣機Fig.7 Prototype of sub－Kelvin sorption cooler

圖8 氣隙式熱開關樣機Fig.8 Prototype of gas－gap heat switch

鑒于本試驗室的4.5 K脈沖管制冷機和節流制冷機仍在研制中［17－18］，因此本試驗中的前級制冷采用了一臺1.5 W@4.2 K G－M 制冷機，利用 G－M 制冷機的二級冷頭作為極低溫吸附制冷機的熱沉進行降溫試驗。

3. 3 試驗結果與分析

試驗中，首先利用4.2 K G－M制冷機將極低溫吸附制冷機冷卻到4.2 K左右，然后加熱吸附床至50 K左右，吸附床解吸出氦氣，氦氣流入蒸發器并被冷凝為液體;然后關閉加熱，接通熱開關，吸附床開始降溫，蒸發器開始制冷。由于吸附過程是一個放熱過程，吸附床的最終溫度取決于熱開關的導通熱導。降溫試驗過程中，由于吸附床熱開關采用的無氧銅材料純度問題，其實際熱導率遠小于理論熱導率，因此吸附床的最終溫度只能達到7.2 K左右。

試驗結果如圖9所示，圖(a)是極低溫吸附制冷機吸附床和蒸發器的降溫曲線，并將10000～40000 s蒸發器制冷結果曲線放大如圖(b)所示。從圖9(b)可以看出，蒸發器的最低溫度達到了0.759 K，在蒸發器處加載50μW 的負載，溫度在0.8 K以下維持了3 h 40 min，基本達到了預期，初步驗證了提出的基于4.5 K脈沖管制冷極低溫吸附制冷技術方案可行性。由于氦3和氦4吸附制冷機在結構上幾乎完全相同，根據前面的理論分析，采用氦3作為工質的樣機將能實現0.4 K左右的最低制冷溫度，從而作為末級制冷技術可以直接滿足紅外、遠紅外和亞毫米等譜段探測的制冷需求。因此，下一步將對氦3為工質氣體的空間極低溫吸附制冷技術進行研究;并解決熱開關無氧銅純度導致的熱導率問題，以期獲得更好的制冷性能。

圖9 極低溫吸附制冷機試驗結果Fig.9 Experimental results of sorption cooler

4 結論

1)氦4和氦3極低溫吸附制冷的最高熱沉溫度分別為5.2 K和3.3 K，且采用氦3作為工質的吸附制冷系統制冷溫度比采用氦4的低340 mK左右。

2)通過公式推導獲得了熱沉溫度對極低溫吸附制冷性能的影響，熱沉溫度不僅影響制冷過程中的得液率，也影響冷凝過程中冷凝液體量，熱沉溫度越低，得液率和冷凝液體量越大，系統的冷量越大。

3)研制了一臺極低溫吸附制冷機，工質氣體為氦 4，在 1.5 W@4.2 K G－M 制冷機基礎上實現了50μW@0.8 K的制冷性能，初步驗證了所提基于4.5 K脈沖管制冷極低溫吸附制冷技術方案的可行性。

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